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地下水允许开采量及其潜力评价研究 康凤新 山东省地质矿产勘查开发局,济南 250013 摘要综合分析了国内外关于地下水允许开采量的概念,提出了实用的地下水允许开采量的涵义。 探讨了平衡或有潜力水源地地下水允许开采量的计算评价、增源增采条件下地下水最大允许开采量 的计算评价、超采水源地地下水允许开采量的计算评价,以及消耗型水源地地下水允许开采量的计 算评价原则,并分别列举了实例。 关键词允许开采量;增源增采;水源地评价 中图分类号P64112文献标识码A Abstract Through the analysis on the various connotations of the allowable yield of groundwater at home and abroad , a more practical concept of the allowable yield is put forward. The calculation and uation principles for the uation of the allowable yield in the balanced or potential groundwater fields , the uation of the maximum allowable yield under the condition of recharge augmenting , the uation of the allowable yield in the over2mining groundwater fields or in the expended groundwater fields are discussed , and the practical examples for the different conditions said above are respectively given. Key words allowable yield; recharge augmenting; uation of groundwater field 收稿日期 2003207228;修订日期 2004207212 作者简介康凤新1968 - ,男汉族 , 山东招远人,研 究员. 近年来,地下水水源地大都遭到了较强烈的开 发。有的水源地因开采量过大或开采布局不合理, 诱发了诸如岩溶塌陷、海水入侵、地面沉降、名泉 断流等环境地质问题及地质灾害;有的水源地实际 开采量虽然超过了当时计算评价的允许开采量,但 水源地地下水位仍处于动态平衡状态,也未引发环 境地质问题及地质灾害。因此,对地下水水源地允 许开采量及潜力计算评价原则有必要做进一步的探 讨研究。 1 关于地下水允许开采量的概念 111 国内地下水允许开采量的概念 综合研究国内有关专著、教材、国标中关于地 下水水源地允许开采量的概念,笔者认为供水水 文地质勘察规范G B50027-2001中关于地下水允 许开采量的概念最为科学,即通过技术经济合理 的取水方案,在整个开采期内出水量不会减少,动 水位不超过设计要求,水质和水温变化在允许范围 内,不影响已建水源地正常开采,不发生危害性的 环境地质现象的前提下,单位时间内从水文地质单 元或取水地段中能够取得的水量 [1] 。 简言之,地下水允许开采量可理解为地下水动 水位埋深不超过最大允许埋深条件下的最大开采 量,即地下水动水位不低于警戒水位的最大开采 量,此量应包括预计开采条件下增加的补给量、排 泄减量和动用的储存量。对大多数地下水系统而 言,动用储存量只是刚开始抽水时一个短暂的现 象,用来重新调整地下水流场。因此,当地下水系 统达到抽水条件下新的平衡时,允许开采量即为开 采条件下增加的补给量和排泄减量。之所以突出强 调最大允许埋深即警戒水位,是因为所有地下水开 采诱发的环境地质问题或地质灾害,皆由地下水水 位降深过大而导致。换言之,地下水开采量可理解 为地下水位这个变量的函数,函数的最大值即为地 下水允许开采量。因此,地下水位是判别地下水开 采程度及开采潜力最直接、最根本的标志。 因此,计算评价地下水允许开采量的关键条件 之一是确定合理的地下水位最大允许埋深警戒水 位。 112 国外地下水允许开采量的概念 综合国外有关专著、教材,笔者认为美国地调 局USGS William M. Alley等人关于地下水安全 开采量Safe yield [2] 的概念较科学安全开采量 通常是指地下水的可持续开发的量值“safe yield” 92 2005年第3期工程勘察 Geotechnical Investigation 二是由于水源地开采后地下水 位下降,诱发了补给增量。如果最大水位埋深接近 或波动于最大允许埋深警戒水位 , 那么,该水 源地便处于采补基本平衡状态。 实例山东省邹县电厂水源地在未大规模开发 的1990年,计算评价地下水允许开采量为1515 10 4m3Π d。通过水源地投产后的实际开采量及地下水 位总的动态变化来看图1 ,地下水的实际开采量 已达2710 4m3Π d ,远大于151510 4m3Π d ,但地下 水位的最大水位埋深为23125m 水位标高21108m , 未超过1990年计算评价的最大允许水位埋深值 29133m 水位标高 15m 。而且在开采量相对稳定 1996年～2002年 的情况下,地下水位亦呈相对 稳定1996年～2002年状态。这说明,水源地开 采后,地下水的补排量发生了变化。河水、湖水及 第四系水对岩溶地下水的渗漏补给量较天然状态下 增加了。这种水源地便可称为有潜力的。 根据图1做进一步的分析邹县电厂水源地地 下水位动态可分为2个时期一是1980年～1996 年,这个时期降水量平均值为634mm ,高于1980年 ～2002年的平均值62217mm ,地下水开采量呈逐年 增长趋势,由不足110 4m3Π d上升至231810 4m3Π d ,相对应的是地下水位呈逐年下降趋势,由 34182m下降至21172m。二是1996年～2002年,这 个时期降水量平均值为59417mm ,低于1980年～ 2002年的平均值62217mm ,地下水开采量呈相对稳 定状态,波动于251510 4m3Π d左右,相对应的是 地下水位亦呈相对稳定状态,波动于23145m上下。 换言之,在地下水位保持在23145m上下时,地下 水可开采量保持在251510 4m3Π d左右。 如图2所示,为概算邹县电厂水源地在年平均 03 工程勘察 Geotechnical Investigation 实线为实测值, 虚线为变化趋势线 地下水位不低于15m时的地下水允许开采量。根据 近几年地下水位较低条件下抽水量与地下水位的相 关关系,概算在年平均地下水位不低于15m 相应 的开采井水位不低于 5m 、南四湖及白马河水位保 持在32187m以上时,地下水允许开采量约为3117 10 4m3Π d。 图2 山东省邹县电厂水源地年平均地下 水位15m时允许开采量预测 3 增源增采条件下水源地地下水最大允许开采量 的计算评价 所谓增源增采,就是在增加地下水补给量的条 件下、增加地下水的可开采量。在水源地大规模开 采条件下,因地下水位下降而产生了较大的地下含 水层空间即地下水库当然地下水位降深不能太 大 , 此时,自然条件下的含水层补迳排关系发生 了变化,如蒸发量、侧排量、溢出量等天然排泄量 减少了,而降水入渗补给量、地表水河水、湖 水、水库水渗漏补给量、侧向迳流补给量等补给 量增加了;同时,还可采取人工补源措施,如在河 流沟谷中修建滞洪低坝或打渗井,拦截地表河水洪 峰迳流,抬高地表水水位,增加地下水补给量;在 地下水库的下游,修建截渗坝,减少地下水的外排 量;当然,还有其它一些措施,如植树造林、小流 域治理、涵养水源等。在增源增采条件下,地下水 的允许开采量能够达到最大。国外也有类似的概念 即最大永久开采量Maximum perennialy yield [3] 。 实例1 笔者在山东省羊庄岩溶水系统经过4a 的试验研究,在汇集排泄区下游存在一天然岩溶型 地下水库图3 [6] 。其特征为岩溶发育均匀,地 下水水力坡度小,水面平缓,含水层导水性、富水 性强,单井涌水量大,水位变幅小,动态稳定,储 存空间、调节功能巨大,地下水库下游的侏罗系砂 页岩形成天然的挡水坝。各集中供水水源地皆位于 该地下水库内,经数值模型及管理模型计算,其天 然条件及增源增采条件下的优化开采量如图4所 示。 图3 山东省羊庄盆地岩溶水系统汇集排泄 区地下水库三维立体图 上图为地下水位等值线图,下图为地下水三维视图 在增源增采条件下,羊庄盆地岩溶地下水最大 允许开采量由2410210 4m3Π d增加到3219310 4m3Π d ,较天然状态下增加了37 [7] 。 实例2 山东省龙口市利用黄水河河谷建成了 地下水库,改善和扩大了地下水资源,开采地下水 量1010 4m3Π d ,同时也防止了海水入侵,并在防 洪、抗旱中发挥了巨大调节作用 [8] 。 4 超采水源地地下水允许开采量的计算评价 水源地开采后,如果地下水位多年动态呈现逐 13 2005年第3期工程勘察 Geotechnical Investigation 另一部分是在以前经过地下水 潜蚀作用已经形成隐伏土洞的位置。这是因为,地 下水位在急剧上升至第四系和灰岩的交界面时,对 相对松软的回填土的潜蚀和掏空作用强烈,或是加 剧了对已形成隐伏土洞的潜蚀。自2001年地下水 位上升至第四系和灰岩交界面以上并保持动态稳定 后,自2002年开始,便没有新的岩溶塌陷发生了。 图5 山东省枣庄十里泉水源地开采动态 变化及岩溶塌陷发育情况 根据图5做进一步的分析 1980年以前,十里 泉水源地开采量很小, 1975年的开采量仅为215 10 4m3Π d , 1976年泉水出现断流, 1979年开采量增 为51710 4m3Π d。20世纪80年代以前,没有发生 岩溶塌陷。1981年地下水开采量猛增至718 10 4m3Π d ,超过允许开采量01910 4m3Π d ,地下水位 大幅度下降,开始发生岩溶塌陷,并在降幅最大的 1982年和1996年形成2个塌陷高峰。根据长期监 测资料,当地下水位埋深降至17m 即地下水位标 高371 75m 时,便可诱发岩溶塌陷。水位埋深在 30～40m 即地下水位标高24175～141 75m 时,出 现第2个塌陷高峰 [9] 。 5 消耗型水源地地下水允许开采量的计算评价 广泛分布于大平原中的深层地下水,如我国的 华北平原、美国中部的高平原High Plains [3 ,4] 及 澳大利亚的大自流盆地The Great Artesian Basin 等,补给和迳流条件均较差,地下水的开采量远大 于地下水的天然补给量,水井抽出的水主要来自于 含水层的储存量。由于补给微弱,因此开采量主要 来自含水介质的压缩和地下水的膨胀,此时地下水 开采量可称为消耗型开采量或采掘量。美国也有类 似的概念,即Mining Yield [2 ,3] 。 开采这类深层地下水,不可避免地要产生地下 水位持续下降、形成区域地下水降落漏斗、甚至诱 发地面沉降。这样的含水层是否应该大规模开采, 国际上也有争论。主流观点是和产生巨大的社会 经济效益相比,只要开采产生的负效应的危害性不 是很大,那么,深层地下水还是应科学、合理、有 规划地进行开采。但同时,需进行人工补给地下 水。 此类地下水水源地允许开采量计算的关键是应 首先确定2个约束条件一是最大允许地下水位埋 深值警戒水位 ; 二是开采年限,即地下水允许 开采量的计算须基于地下水位在开采年限内不超过 最大水位埋深值警戒水位这一前提。 实例在山东省东营草桥水源地深层承压水允 许开采量计算时,根据水泵扬程、对已有水源地的 影响及地面沉降等约束条件,计算评价在最大允许 水位埋深为95m、开采年限为20a时的地下水允许 开采量为3629m 3Π d。 6 结语 地下水允许开采量可理解为地下水动水位埋深 不超过最大允许埋深条件下的最大可采量,即地下 水动水位不低于警戒水位的最大可采量。 地下水位是判别地下水开采程度及开采潜力最 直接、最根本的标志。 23 工程勘察 Geotechnical Investigation 第1篇论述了工程地质条件的成因演化论、区域地壳稳定性及分析原理、地壳浅表生作用与时效变形 和岩体结构及其对岩石工程稳定性的控制作用; 第2篇阐述了中国特殊岩土体的工程地质特性、评价及其创新; 第3篇从7个代表性的地质灾害探讨了工程地质问题与工程地质作用; 第4篇介绍了具有我国特色的工程地质研究方法与技术; 第5篇筛选了10类工程的47个典型工程实例分别作了总结,最后从地质工程新理论观点探讨了工程 地质学新的发展方向。 本书比较全面地介绍了中国工程地质学科自创建以来的主要成就,可供从事工程地质、岩石力学、岩 土工程和工程建设的科技人员、高校师生参考。 中国工程地质世纪成就由王思敬、黄鼎成主编,地质出版社2004年10月出版、发行,定价140元。 电话 010 - 82324508 ,传真 010 - 82328538 ,地址北京海淀区学院路31号地质出版社100083。 33 2005年第3期工程勘察 Geotechnical Investigation Surveying